(57)【要約】【課題】  半導体チップなどのデバイスの冷却用放熱導管構造及びその製造方法。【解決手段】中空封鎖管体３１、柱体３１４からなり、金属にダイヤモンド構造の炭素を混入した材料からなる成型体、又は該成型体若しくは金属からなる成型体にダイヤモンド構造の炭素被覆を形成した成型体から構成する。該中空封鎖管は、一端側がデバイス熱源に接する熱源端１４、他端側が低温度の放熱装置に接する放熱端とし、該柱体は、第一端は該中空封鎖管体の該熱源端１４に、第二端は該中空封鎖管体の該放熱端に接続し、該封鎖管体内壁面及び該柱体表面に毛細管作用を有する毛細組織構造を形成し、冷却流体を該封鎖管体内に封入して、該流体を熱源からの熱伝導により気化蒸発せしめ、その気化流体を低温度の放熱端で凝縮させて該毛細組織構造の毛細管作用を経て還流せしめる。【選択図】  図  ５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップなどのデバイスが発生する熱源の冷却用放熱導管構造であって、
中空封鎖管体、柱体からなり、
該中空封鎖管体は、金属にダイヤモンド構造の炭素を混入した材料からなる成型体、又は該成型体若しくは金属からなる成型体にダイヤモンド構造の炭素被覆を形成した成型体からなり、
該中空封鎖管は、一端側にデバイス熱源に接する熱源端を、他端側に低温度の放熱装置に接する放熱端を備え、
該柱体は、第一端及び第二端を具え、該第一端は該中空封鎖管体の該熱源端に接続し、
該第二端は該中空封鎖管体の該放熱端に接続し、
該封鎖管体内壁面及び該柱体表面に毛細管作用を有する毛細組織構造を形成し、
冷却流体を該封鎖管体内に封入して、該流体を熱源からの熱伝導により気化蒸発せしめ、その気化流体を低温度の放熱端で凝縮させて該毛細組織構造の毛細管作用を経て還流せしめる、
ことを特徴とする放熱導管構造。
【請求項２】
前記デバイスが発生する熱源は、放熱片を通して該中空封鎖管体の熱源端に伝導されることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
【請求項３】
前記管体は、任意の長柱状であることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
【請求項４】
前記管体は、任意の扁平柱状であることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
【請求項５】
前記柱体は、任意の長柱状であることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
【請求項６】
前記柱体は、任意の扁平柱状であることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
【請求項７】
前記放熱裝置は、複数の放熱フィンを具えた構造とすることを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
【請求項８】
前記柱体は、金属にダイヤモンド構造の炭素を混入した材料からなる成型体、又は該成型体若しくは金属からなる成型体にダイヤモンド構造の炭素被覆を形成した成型体からなる、
ことを特徴とする請求項１記載の放熱導管構造。
【請求項９】
前記金属は、銅材質であることを特徴とする請求項８記載の放熱導管構造。
【請求項１０】
前記金属は、アルミニウム材質であることを特徴とする請求項８記載の放熱導管構造。
【請求項１１】
前記金属は、銀材質であることを特徴とする請求項８記載の放熱導管構造。
【請求項１２】
前記金属は、熱伝導係数が高い金属材質であることを特徴とする請求項８記載の放熱導管構造。
【請求項１３】
前記ダイヤモンド構造の炭素は、ダイヤモンドであることを特徴とする請求項８記載の放熱導管構造。
【請求項１４】
前記ダイヤモンド構造の炭素被覆は、化学気相堆積法により形成することを特徴とする請求項８記載の放熱導管構造。
【請求項１５】
前記ダイヤモンド構造の炭素被覆は、物理気相堆積法により形成することを特徴とする請求項８記載の放熱導管構造。
【請求項１６】
前記ダイヤモンド構造の炭素被覆は、電気メッキ法により形成することを特徴とする請求項８記載の放熱導管構造。
【請求項１７】
前記成型体は、溶融材料により形成することを特徴とする請求項８記載の放熱導管構造。
【請求項１８】
中空管体及び柱体からなる半導体チップの放熱導管（ヒートシンク）の製造法において、
金属にダイヤモンド構造の炭素を混入した材料からなる成型体、又は該成型体若しくは金属からなる成型体にダイヤモンド構造の炭素被覆を形成した成型体を形成し、
成型体の形成方法は、ダイカスト法により形成し、
毛細管作用を有する微細な毛細組織構造を該管体及び柱体表面に形成して熱交換面とし、
冷却流体を該管体に封入して後、該管体を封鎖することを特徴とする放熱導管製造方法。
【請求項１９】
前記金属は、銅を用いることを特徴とする請求項１８記載の放熱導管製造方法。
【請求項２０】
前記金属は、アルミニウムを用いることを特徴とする請求項１８記載の放熱導管製造方法。
【請求項２１】
前記金属は、銀を用いることを特徴とする請求項１８記載の放熱導管製造方法。
【請求項２２】
前記金属は、熱伝導係数が高い金属を用いることを特徴とする請求項１８記載の放熱導管製造方法。
【請求項２３】
前記ダイヤモンド構造の炭素として、ダイヤモンドを用いることを特徴とする請求項１８記載の放熱導管製造方法。
【請求項２４】
前記ダイヤモンド構造の炭素被覆は、化学気相堆積法により形成することを特徴とする請求項１８記載の放熱導管製造方法。
【請求項２５】
前記ダイヤモンド構造の炭素被覆は、物理気相堆積法により形成することを特徴とする請求項１８記載の放熱導管製造方法。
【請求項２６】
前記ダイヤモンド構造の炭素被覆は、電気メッキ法により形成することを特徴とする請求項１８記載の放熱導管製造方法。
【請求項２７】
前記成型体は、溶融材料から形成することを特徴とする請求項１８記載の放熱導管製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップなどのデバイス冷却用放熱導管（ヒートシンク）構造及びその製造方法に関する。特に、その熱伝導材料は金属及びダイヤモンド構造の炭素を含む製造方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
今日の科学技術の日進月歩の発展に従い、電子デバイスはコンパクトで高集積化へと発展しており、求められる機能はますます高くなっている。それに連れて排出される熱も急激に増加しており、適時に熱を排除することは電子デバイスの機能を維持するために不可欠の課題である。放熱が適宜に行われなければ該電子デバイスが損壊する恐れさえあるため、放熱効率向上を目的に各種の熱伝導材料が開発されている。
公知の技術中に見られる放熱構造に応用される材料は通常は銅質或いはアルミニウム合金で、それが現行の放熱技術の主流である。しかし伝統的なアルミニウム質放熱材料はCPUの高速動作が生み出す高温の伝導において制約があるため、銅質材料を用いた放熱技術が生まれた。しかし銅は比重が大きく、溶解点が高く、応用において制限があり成形に不利である。しかも前記二種の材料は空気冷卻方式により放熱を行うため、ICの発熱量が50W/cm2に達した時、該冷卻方式は前記銅、アルミニウム材料によっては放熱のニーズを満たすことができず、さらに効果的な放熱材料が求められている。
また同様に放熱ニーズ及び空間サイズの制限を満たすために、放熱導管（ヒートシンク）が熱伝導問題において広く使用されている。放熱導管は狭小な空間において、導管内部の流体が熱を吸收/放出することにより気液相変化を生じて熱伝導を行うものである。放熱導管は微小な温度差において極めて大きな熱伝導量を達成することができるため、「熱の超導体」の美称までがある。こうして放熱導管と放熱片及び放熱フィンを含む放熱器モジュールが生まれた。
【０００３】
図１に示す放熱器モジュールは、放熱片11、放熱導管12、複数の放熱フィン13を含む。
該放熱片11は、下平面111及びこれに対する上平面112を具え、その熱伝導過程は該放熱片11下平面111を接触廃熱発生の出所とし、この廃熱を該放熱片11上平面112に伝導する。
該放熱導管12は、両端点を具え、一端は熱源端121で反対端は放熱端122である。該熱源端121は該放熱片11上平面112に接続し、該廃熱は該放熱導管12の熱源端121を経由し該放熱導管12の放熱端122に伝えられる。同時に複数の放熱フィン13も同一辺縁において相互に連接する底面131を形成し、該放熱導管12の放熱端122は該底面131と接触し、これにより該廃熱を複数の放熱フィン13上に伝達し、対流及び放射などの方式により廃熱を排出する。
また、ダイヤモンドはこの世で最高の硬度を持ち、熱伝導性は最速で、光通過波長範囲が広く、耐腐食性を具えるなどの特性があるため、長く工業においても重要な材料の一つであった。その熱伝導係数は常温下では銅の五倍で、しかも高温時にダイヤモンドの赤外線放射は強化され、その放熱性は高く、しかも熱膨脹係数が小さい。このため、その放熱性能は高温時にいっそう明確になる。ダイヤモンドのこの放熱が良好という特性は一般的にダイヤモンドの真偽を判断する時に用いられている。
公知技術中では既に多くの技術と製造工程が開発されているが、その中では炭化水素の直接分解を利用する方法が最も広く知られている。例えばマイクロウェーブプラズマ化学気相堆積法法(Microwave Plasma enhance Chemical Vapor Deposition, MPCVD)、ホットフィラメント化学気相堆積法法(Hot Filament CVD, HFCVD)はポリクリスタルダイヤモンド膜をメッキするもので、該ポリクリスタルダイヤモンド膜は天然単結晶ダイヤモンドの特性を具えている。
【特許文献１】特開２００５−３４７５００号公報
【特許文献２】特開２００４−１７３２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
公知構造には以下の欠点があった。
すなわち公知技術は電子デバイスのコンパクト化、高集積度化、高性能化に向かう発展の方向性において効率的な廃熱の排除を提供することができない。
本発明は上記構造上の問題点を解決した放熱導管構造及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明は下記の放熱導管構造及びその製造方法を提供する。
本発明の放熱導管は、
半導体チップなどのデバイスが発生する熱源の冷却用放熱導管構造であって、
中空封鎖管体、柱体からなり、
該中空封鎖管体は、金属にダイヤモンド構造の炭素を混入した材料からなる成型体、又は該成型体若しくは金属からなる成型体にダイヤモンド構造の炭素被覆を形成した成型体からなり、
該中空封鎖管は、一端側にデバイス熱源に接する熱源端を、他端側に低温度の放熱装置に接する放熱端を備え、
該柱体は、第一端及び第二端を具え、該第一端は該中空封鎖管体の該熱源端に接続し、
該第二端は該中空封鎖管体の該放熱端に接続し、
該封鎖管体内壁面及び該柱体表面に毛細管作用を有する毛細組織構造を形成し、
冷却流体を該封鎖管体内に封入して、該流体を熱源からの熱伝導により気化蒸発せしめ、その気化流体を低温度の放熱端で凝縮させて該毛細組織構造の毛細管作用を経て還流せしめる。
また、上記のダイヤモンド構造の炭素被覆方法は化学気相堆積法、物理気相堆積法、溶融、電気メッキ、或いはその他材料製造準備方法を含むことを特徴とする放熱導管構造及びその製造方法である。
【発明の効果】
【０００６】
上記のように、本発明は、金属にダイヤモンド構造の炭素を混入した材料からなる成型体、又は該成型体若しくは金属からなる成型体にダイヤモンド構造の炭素被覆を形成した成型体を放熱導管に応用し、半導体チップの放熱効率を向上させ、さらに本発明が提供する熱伝導構造は半導体チップの放熱に用いられるだけでなく、さらにその他の関連する機器の熱伝導或いは放熱機器上に応用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図２に示すように、本発明の放熱導管のダイカスト法の設備は、型材料供給機器21、型材料注入機器22及びモールド組23を含む。型材料は該型材料注入機器22を経て注入され、該モールド組23のモールド空間24により成型される。その形状は一端が未封鎖の中空管体及び管体内に位置する柱体である。また、該型材料は金属材質或いは金属及びダイヤモンド構造の炭素微粒子を含む溶融材料である。該金属は銅或いはアルミニウム或いは銀或いはその他熱伝導係数が高い金属或いはその合金で、該ダイヤモンド構造の炭素の溶融点は前記のどの金属の溶融点よりも高いため、その組織中に結合した型材料を形成する。
続いて図２が示す一端が未封鎖の中空管体及び管体内に位置する柱体の放熱導管31は、該中空管体の内壁313及び柱体の表面314に毛細管作用を有する微細毛条構造315を形成する。図３に示すように、マイクロ構造加工技術により該管体内壁313及び柱体表面314において溝状の毛細組織315をエッチング形成する。図４に示すように、該管体内壁313及び柱体表面314の毛細組織315は、金属網を該管体内壁313及び柱体表面314上に焼結して形成することができる。
【０００８】
最後に図５は、図３或いは図４の放熱導管の一端が未封鎖の放熱導管31に流体14を充填後、完全に封鎖した放熱導管31の透視図である。該放熱導管31の熱伝導過程は図５に示すように、該放熱導管31の熱源端311は図１の放熱片11上平面112に接し、該上平面112からの廃熱は熱源端311より中空封鎖管体内の液体流体14に伝達される。
該液体流体14は廃熱を吸収して液体から気体に相変化し、気体流体14として蒸発する。この気体流体14は、該放熱導管31の放熱端312に拡散して該放熱端312の管体内壁313に接触して該気体流体14が帯びた廃熱が該放熱端312より接続する図１に示す複数の放熱フィン13底面131上に伝達される。
この時廃熱を排出する気体流体14は再び液体に相変化して、凝結し液体流体14となり、該管体内壁313及び柱体表面314の毛細組織構造315に導かれて熱源端311に戻る。この反覆循環により間断なく廃熱を排出し、非常に多くの熱量を持ち去ることができる。該放熱導管31は、流体の蒸発凝結により大量に熱量を吸收及び放出するため、該放熱導管31は非常に良好な熱伝導效果を具える。該放熱導管31内の流体14は水及び熱伝送能力を具えた液体により構成する。
【０００９】
続いて、該熱伝導材料が含むダイヤモンド構造の炭素は化学気相堆積法或いは物理気相堆積法を利用し金属表面に形成する。
図６のマイクロウェーブプラズマ励起化学気相堆積法は本発明の実施例の放熱構造製造方法である。この実施例中ではその反応プロセスは反応させようとする混合気体は気体送入口61より気体反応室66に送り込む。同時に、マイクロウェーブ発生システム62はマイクロウェーブを発信し、これにより混合気体は活性の反応性イオンを発生し反応を行う。反応生成物を徐々にサポートフレーム64上の金属材料65の表面に堆積し、ダイヤモンド膜を形成する。該金属材料65は、図５に記述する放熱導管12で、該放熱導管12は銅或いはアルミニウム或いは銀或いはその他熱伝導係数が高い金属或いはその合金である。残余気体は廃気排出口63により排出し、この反応プロセスは表面がダイヤモンドに覆われた熱伝導材料を生じる。
【００１０】
本発明の別種の放熱構造製造方法として、図７にイオンスパッタリング法を示す。この実施例中においてはその製造準備で、ダイヤモンド微粉末材料を圧粉成型して棒材72とし、その設置角度と第一イオンガン71のイオンビーム射出方向の挟角は約45度前後であり、これにより該第一イオンガン71により打ち出され、飛散したダイヤモンド微粒子は第二イオンガン73前方まで飛び、さらに該第二イオンガン73は該ダイヤモンド微粒子に十分な運動エネルギーを与え、金属材料74表面上に飛散させ均一なダイヤモンド膜を堆積形成する。該金属材料74は、図５に記述する放熱導管12で、該放熱導管12は銅或いはアルミニウム或いは銀或いはその他熱伝導係数が高い金属或いはその合金である。残余のダイヤモンド微粒子は廃気により排出口75より排出される。こうして上述の製造準備を経て表面がダイヤモンドに覆われた封蓋或いは熱伝導材料を得ることができる。
また、上述の実施例の化学気相堆積法及び物理気相堆積法の製造準備方法の他に、その他材料の製造準備方法によっても金属及びダイヤモンド構造の炭素の熱伝導材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】公知技術中の放熱器モジュールの指示図である。
【図２】本発明実施例の一端が未封鎖の放熱導管ダイカスト方式指示図である。
【図３】本発明実施例の放熱導管において毛細組織を設置する指示図である。
【図４】本発明実施例の放熱導管において毛細組織を設置する別種の指示図である。
【図５】本発明実施例の放熱導管透視図である。
【図６】本発明実施例のマイクロウェーブプラズマ補助化学気相堆積法の指示図である。
【図７】本発明実施例のイオンス部品タリング指示図である。
【符号の説明】
【００１２】
1放熱器モジュール指示図
11放熱片
111  下平面
112  上平面
12  放熱導管
121  熱源端
122  放熱端
13  複数の放熱フィン
131  底面
2  一端が未封鎖の放熱導管ダイカスト法指示図
21  型材料供給機器
22  型材料注入器
23  モールド組
24  モールド空間
3  放熱導管において毛細組織を設置する指示図
31  放熱導管
311  熱源端
312  放熱端
313  中空管体内壁
314柱体表面
315毛細組織
4  放熱導管において毛細組織を設置する別種の指示図
5  放熱導管透視図
14  流体
6  マイクロウェーブプラズマ励起化学気相堆積法指示図
61  気体送入口
62  マイクロウェーブ発生システム
63  廃気排出口
64  サポートフレーム
65  金属材料
66  気体反応室
7イオンスパッタリング法指示図
71  第一イオンガン
72  棒材
73  第二イオンガン
74  金属材料
75廃気排出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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